CN103528514B - 机器视觉多视场协同机构及装有该机构的测量与检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器视觉多视场协同机构及装有该机构的测量与检测装置，所述多视场协同机构主要由横梁、水平转轴、垂直转轴，光心调节板以及小视场相机底座组成，该协同机构能够确定大、小视场相机光轴之间的确切位置，并实现小视场相机在水平和垂直两个正交平面内的旋转，从而建立大视场图像与序列小视场图像之间方位的协同关系。所述机器视觉多视场协同测量与检测装置主要包括X轴、Y轴、Z轴及机器视觉多视场协同机构，Z轴能够上下升降，以调节物距使大、小视场相机能够对被测目标进行清晰成像，在大视场全景图像信息的协同下，X轴、Y轴、以及协同机构上的垂直转轴联动运动，定位各小视场图像的采集方位，自动完成小视场序列图像的采集。

Description

机器视觉多视场协同机构及装有该机构的测量与检测装置

技术领域

本发明涉及一种机器视觉多视场协同机构及装有该机构的测量与检测装置。该协同机构和检测装置适用于二维几何特征的自动测量与检测，尤其适用于大尺寸二维复杂几何特征的自动测量与检测，例如尺寸较大的机械零件上孔系特征的自动测量和的电脑主机板电装质量的自动检测。

背景技术

本发明属于二维几何特征的机器视觉测量与检测技术领域。现有的二维几何特征的视觉测量与检测技术中，微小特征的高精度自动测量与检测研究和应用比较成熟，这主要得益于测量范围比较小时，单幅图像就能以较高的分辨率对目标进行观测，从而获得较高的测量与检测精度。对于尺寸较大的二维几何特征，若要取得较高测量精度，就需要获得具有高物面分辨率的图像，图像拼接法和序列局部图像测量法在此方面进行了有益的探索。但是，当需要拼接的高分辨率图像较多时，图像拼接法难以适应要求快速测量的在线应用场合，另外，这种方法需要在被测零件上人为加入“点”或者“线”特征，这在自动测量环境下是不便做到的。而序列图像测量法只适用于直边零件和直线型几何特征的测量，且不具有自动测量的功能。在实践中，把机器视觉系统与坐标测量系统集成应用，取得了很好的效果，但是，由于缺乏零件的全局信息，该方法依然不能实现自动测量，并且，该方法的测量精度依赖于机械坐标精度，而高精度的机械系统使得整个测量系统结构复杂，制造成本高，对温度等测量环境的控制提出较高要求，使用成本高，难以用于现场自动测量。

为了实现大尺寸二维复杂几何特征的自动测量和检测，受人眼观察物体细部特征时由远及近、由粗到细的认知过程的启发，申请人提出了具有层次结构的机器视觉多视场协同测量方法。该方法在大视场全景图像中识别被测特征，建立特征的图像坐标与测量空间坐标之间的映射关系；在大视场图像信息的协同下，规划高分辨率小视场图像的采集路径，自动采集小视场序列图像；利用小视场图像摄取的零件表面自然细观特征，在序列小视场图像上构造辅助测量特征，进行特征匹配和粗大误差剔除，提取被测特征的局部参数，再通过求和获得被测特征的整体参数。

机器视觉多视场协同测量方法能很好地协调视觉测量与检测中普遍存在的分辨力和量程范围的矛盾，充分挖掘成像器件硬件物理特性的最大潜力，具有测量精度不受机械坐标精度影响的优势，适用于在工业现场进行二维几何特征的高精度自动测量与检测。本发明即是为实现该方法而设计的一种机器视觉多视场协同机构及装有该机构的自动测量与检测装置。

发明内容

本发明是为实现申请人提出的机器视觉多视场协同测量方法而设计的一种机器视觉多视场协同机构及装有该机构的自动测量与检测装置。

实现机器视觉多视场协同测量与检测的关键技术之一，是建立大视场图像与序列小视场图像之间方位的协同关系，只有建立了这种协同关系，才能在大视场图像信息的引导下，进行序列小视场图像的自动采集和处理。据此，本发明设计了一种具有独特结构的机器视觉多视场协同机构，用来实现大、小视场相机的安装固定，以确定大、小视场相机光轴之间的确切位置，并实现小视场相机在水平和垂直两个正交平面内的旋转。该协同机构由横梁、水平转轴、垂直转轴，光心调节板以及小视场相机底座组成。所述横梁是整个协同机构的基础件，横梁可分为左、中、右三个工作段，其中，左段用来安装大视场相机，中段用于整个协同机构与外部测量或检测装置的定位连接，右段用于安装水平转轴；所述水平转轴可分为前、中、后三个工作段，其中，前段用于安装垂直转轴，中段用于把水平转轴安装在前述横梁上，后段用于连接外部的旋转动力源，如通过联轴器与一步进电机相连；所述垂直转轴可分为上、中、下三个工作段，其中，上段用于连接外部的旋转动力源，如通过联轴器与一步进电机相连，中段用于把垂直转轴安装在前述水平转轴上，下段用于安装光心调节板；所述小视场相机底座有两个工作段，一段用于安装小视场相机，另一段与光心调节板连接定位；所述光心调节板上设有一定位孔和一安装面，定位孔轴线平行于安装面，定位孔用于光心调节板与前述垂直转轴的装配定位，装配后定位孔与垂直转轴同轴，安装面用于光心调节板与前述小视场相机底座的连接定位，可以通过调整该安装面与小视场相机底座之间的相对位置，来调节小视场相机光轴的位置，以使小视场相机光轴与光心调节板定位孔的轴线重合，从而与垂直转轴同轴，调整的方法如修磨安装面以减小小视场相机底座与定位孔之间的距离，或者在该安装面与小视场相机底座的连接之间添加垫片以增大小视场相机底座与定位孔之间的距离，等。

按上述特征装配后的机器视觉多视场协同机构，能够实现小视场相机的光轴与垂直转轴重合，如果定义大视场图像坐标零点为协同机构的坐标零点，小视场图像坐标轴与大视场图像坐标轴平行且同方向时的小视场相机的方位为小视场零位，则垂直转轴相对小视场零位转过的角度，即为小视场在大视场中转过的角度，此角度为水平面内的转角。而水平转轴相对小视场零位转过的角度为竖直面内的转角，此转角为大、小视场相机光轴之间的夹角，保留此方向的回转自由度，是为某些特殊应用而设计，如零件侧面瑕疵的检测、斜孔成像与检测等，通常在进行平面二维几何特征测量与检测时，应将该角度调整为零，以确保大、小视场相机光轴平行。

所述水平转轴与横梁装配面上、垂直转轴与水平转轴装配面上，都应开设小视场相机零位定位点，以保证协同机构装配后可获得稳定的小视场相机零位。

本发明还提供了一种新型的机器视觉自动测量与检测装置，该装置包括X轴、Y轴、Z轴、工作台及光源支架，在Z轴上装有前述机器视觉多视场协同机构，在该协同机构上装有大视场相机及其镜头和小视场相机及其镜头，整套装置也称为机器视觉多视场协同自动测量与检测装置。

上述机器视觉多视场协同自动测量与检测装置中，Z轴能够上下升降，以调节物距，使得大、小视场相机能够对被测目标进行清晰成像。大视场相机对被测对象进行全局成像，获得被测对象的全景图，该全景图包含了被测对象上各特征的坐标及方位信息，根据这些信息规划小视场序列图像的采集路径，然后，驱动X轴、Y轴、以及协同机构上的垂直转轴联动运动，定位各小视场图像的采集方位，自动完成小视场序列图像的采集、匹配及特征提取工作。

与现有影像测量设备相比，本发明具有如下创新点：

1、 不采用传统的计量光栅加三坐标结构形式，而是基于申请人提出的机器视觉多视场协同测量方法，利用不同视场图像之间的协同关系进行工作，所发明的装置兼具二维几何尺寸的自动测量与表面几何特征的全自动检测功能。

2、 从发挥机器视觉硬件的潜力来看，靠增加相机分辨率来提高视觉测量系统精度的途径是不经济的，并且在技术上是有限的。多视场协同测量与检测装置利用小视场提高图像的物面分辨率，借助大视场引导并协同小视场序列图像的采集与匹配，充分挖掘了成像器件硬件物理特性所能支持的最大潜力。

3、 从资源节约的绿色制造理念来看，机器视觉多视场协同自动测量与检测装置可以充分利用先进的计算机信息处理技术，发挥其数据处理优势，实现基于数据处理的测量原理和算法，以计算资源补偿传统机械系统精度，以数据处理成本降低机械系统硬件成本，有利于建造无需精密机械结构的、维护简单、使用成本低的高精度在线测量与检测系统。

4、 从测量与制造的智能化发展趋势看，机器视觉多视场协同自动测量与检测装置的工作精度不受机械坐标精度的影响，对环境温度没有特殊要求，为解决工业现场的自动测控提供了一种手段，它产生的全数字化测量信息，不但可以向更深层次开发智能化测试计量技术，而且也便于与制造过程上下游工序集成，提升制造过程的智能化测控水平。

附图说明

图1是本发明中的机器视觉多视场协同机构示意图。

图2是本发明机器视觉多视场协同机构第一个实施例中横梁的特征示意图。

图3是本发明机器视觉多视场协同机构第一个实施例中水平轴限位盖板的特征示意图。

图4是本发明机器视觉多视场协同机构第一个实施例中水平转轴的结构示意图。

图5是本发明机器视觉多视场协同机构第一个实施例中垂直轴限位盖板的特征示意图。

图6是本发明机器视觉多视场协同机构第一个实施例中垂直转轴的结构示意图。

图7是本发明机器视觉多视场协同机构第一个实施例中光心调节板与小视场相机底座的结构示意图

图8是本发明中的机器视觉多视场协同机构装配到自动测量与检测装置上构成的机器视觉多视场协同自动测量与检测装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的四个具体实施例作详细说明。

机器视觉多视场协同机构的第一个实施例

附图1～图7表示了本发明机器视觉多视场协同机构在第一个实施例中的装配关系及各组件的结构。

图1是本发明机器视觉多视场协同机构的装配示意图。该机构包括横梁1，水平转轴2，垂直转轴3，光心调节板4，小视场相机底座5，水平轴限位盖板14，垂直轴限位盖板15。通过水平转轴2的回转运动，可以实现小视场相机绕水平转轴旋转，从而对被测目标的侧面进行观测。保留水平转轴2的回转自由度，是为某些特殊应用而设计，通常在进行平面二维几何特征测量与检测时，应将水平转轴2的转角调零，以确保大、小视场相机光轴平行，而通过垂直转轴3的回转，来实现小视场相机绕其光轴旋转，从而以一定像面角采集小视场图像。

图2和图3分别是横梁1与水平轴限位盖板14的结构示意图，在本实施例中，横梁外形为一长方块，分为左、中、右三个工作段。左段加工有大视场相机安装孔，均为通孔，孔位与大视场相机安装螺孔对应；中段也加工有安装孔，用于把整个协同机构安装到外部测量或检测装置上，安装孔可为通孔，也可为螺孔，视外部连接形式而定；右段开设有台阶孔，用于安装水平转轴，台阶孔的台阶用于水平转轴在一个方向的轴向定位，水平转轴在另一方向的轴向定位，由安装在台阶孔端面的水平轴限位盖板14完成，水平转轴2按这种形式装配，实际上是滑动工作方式。

图4和图5分别是水平转轴2与垂直轴限位盖板15的结构示意图，在本实施例中，水平转轴2分为前、中、后三个工作段。其中，前段呈方块状，其内开设有台阶通孔，孔的中心线与水平转轴2的轴线垂直正交，用于安装垂直转轴3，台阶孔的台阶用于垂直转轴3在一个方向的轴向定位，垂直转轴3在另一方向的轴向定位，由安装在方块上端面的垂直轴限位盖板15实现，垂直转轴3按这种形式装配，实际上是滑动工作方式；水平转轴2的中段呈轴环结构，用于把水平转轴安装定位在前述横梁1的台阶孔内；水平转轴2的后段用于连接外部的旋转动力源，如通过联轴器与一步进电机相连。

图6是垂直转轴3的结构示意图，在本实施例中，垂直转轴3分为上、中、下三个工作段。其中，上段用于连接外部的旋转动力源，如通过联轴器与步进电机相连；中段呈轴环结构，用于把垂直转轴3安装在前述水平转轴2前段的台阶孔内；垂直转轴3的下段为轴肩结构，轴肩的轴头与光心调节板4的定位孔配合形成固定连接，把光心调节板稳固地连接在垂直转轴上。

图7是光心调节板4与小视场相机底座5的结构示意图，该光心调节板4上设有一定位孔和一安装面，定位孔轴线平行于安装面。定位孔用于与前述垂直转轴3下段的轴头配合定位，该处的孔、轴公差采用紧过盈配合公差，装配后垂直转轴3下段的轴肩与光心调节板的上表面接触定位；光心调节板4的安装面用于安装小视场相机底座5，可以通过调整该安装面与小视场相机底座之间的相对位置，来调节小视场相机光轴的位置，以使小视场相机光轴与光心调节板4上定位孔的轴线重合，从而与垂直转轴3同轴，调整的方法如修磨安装面以减小小视场相机底座5与定位孔之间的距离，或者在该安装面与小视场相机底座5的连接之间添加垫片以增大小视场相机底座5与定位孔之间的距离。所述小视场相机底座5为一光板，其工作面是一平面，该工作面的一部分用于安装小视场相机，另一部分与光心调节板4的安装面连接。

机器视觉多视场协同机构的第二个实施例

本发明机器视觉多视场协同机构的第二个实施例中包含的组件有：横梁1，水平转轴2，垂直转轴3，光心调节板4，小视场相机底座5，上述组件的装配关系与图1相似。与第一个实施例不同之处在于：第二个实施例未使用水平轴限位盖板，而是在水平转轴2与横梁1之间采用滚动轴承连接，滚动轴承的内圈与水平转轴2的轴颈是紧过盈配合，滚动轴承的外圈与横梁1的台阶孔也是紧过盈配合，通过这两处紧过盈配合来限制水平转轴2的轴向位移；第二个实施例也没有垂直轴限位盖板，垂直转轴3与水平转轴2之间也采用滚动轴承连接形式，滚动轴承的外圈与水平转轴2的台阶孔采用紧过盈配合，滚动轴承的内圈与垂直转轴3的轴颈也采用紧过盈配合，并且垂直转轴3的轴肩与滚动轴承内圈的上端面接触定位，以防止垂直转轴3在长期使用中因松动而向下滑落，通过这两处紧过盈配合以及轴肩定位来限制垂直转轴3的轴向位移。

采用上述滚动轴承连接形式，同样可以实现本发明的发明目的。这种机器视觉多视场协同机构的工作过程与实施例一基本相同，在此不再作详细描述。

装有机器视觉多视场协同机构的自动测量与检测装置的第一个实施例

图8是机器视觉多视场协同自动测量与检测装置的结构示意图，该实施例中使用了本发明机器视觉多视场协同机构。该实施例包括X轴6、Y1轴7、Y2轴8、Z轴9、机器视觉多视场协同机构、大视场相机10及其镜头11、小视场相机12及其镜头13。其中，Y1轴7和Y2轴8为同规格同步带模组，平行安装，中间用一长轴连接，由一台步进电机驱动，以确保Y1轴7和Y2轴8同步位移；X轴6安装在Y1轴7的滑块14和Y2轴8的滑块15上，Y1轴和Y2轴滑块的同步位移将带动X轴沿Y向位移，X轴采用同步带模组加步进电机驱动形式；Z轴采用滚珠丝杆加步进电机驱动形式，之所以采用滚珠丝杆是因为它可以自锁，防止Z轴在重力作用下下滑，Z轴的下端安装机器视觉多视场协同机构，Z轴滑块17通过螺栓连接至X轴滑块16上，这样，X轴的滑块16沿X向的位移将带动Z轴整体沿X向位移，Z轴丝杆的旋转运动将带动整个Z轴上下升降，从而改变机器视觉多视场协同机构上相机的物距，实现视场大小的调节和自动聚焦。上述X轴6、Y1轴7和Y2轴8、Z轴9均采用步进电机驱动，步进电机在上电但不运转时，可以通过锁步保持上述三个方向当前的位置。X轴6、Y1轴7和Y2轴8的联动运动将带动大视场相机的像面在测量平面平移；X轴6、Y1轴7和Y2轴8、多视场协同机构的垂直转轴3的联动运动将带动小视场相机的像面在测量平面进行平移和旋转。

装有机器视觉多视场协同机构的自动测量与检测装置的第二个实施例

该实施例中也使用了本发明机器视觉多视场协同机构，与上一实施例不同的是，该实施例中没有Z轴和Y2轴，机器视觉多视场协同机构安装在X轴的滑块上，X轴安装在Y1轴的滑块上，并成一悬臂梁结构，这种情况下，X轴和Y1轴需采用刚度和强度更大的直线导轨，这种结构适用于生产线上空间有限的固定区域内二维几何特征的测量与检测，在这种情况下，大、小视场相机能够对测量平面清晰成像的位置需在测量装置安装时调整好，在正常工作过程中不再变动，因此，本实施例更适合于生产线上被测对象比较固定的专用场合，在大批量流水线生产制造中应用前景广阔。

采用上述两轴结构形式，同样可以实现本发明的发明目的。这种机器视觉多视场协同测量与检测装置的工作过程与前一实施例基本相同，在此不再作详细描述。

Claims (10)

1.一种机器视觉多视场协同机构，包括横梁[1]、水平转轴[2]、垂直转轴[3]，光心调节板[4]和小视场相机底座[5]，所述横梁[1]是整个协同机构的基础件，其特征在于：横梁[1]分为左、中、右三个工作段，其中，左段用于安装和固定大视场相机，中段设有安装孔，用于协同机构与测量装置的连接，右段开设有台阶孔，用于安装水平转轴[2]，所述水平转轴[2]分为前、中、后三个工作段，前段用于安装垂直转轴，中段用于把水平转轴安装在前述横梁[1]上形成可动连接，后段用于连接外部的旋转动力源，通过联轴器与步进电机相连，所述垂直转轴[3]分为上、中、下三个工作段，上段用于连接外部的旋转动力源，通过联轴器与步进电机相连，中段用于把垂直转轴安装在前述水平转轴[2]上形成可动连接，下段用于安装光心调节板，所述光心调节板[4]上设有一定位孔和一安装面，定位孔轴线平行于安装面，定位孔用于光心调节板与前述垂直转轴[3]的装配定位，安装面用于光心调节板[4]与小视场相机底座[5]的连接定位，通过调整该安装面与小视场相机底座[5]之间的相对位置来调节小视场相机光轴的位置，所述小视场相机底座[5]有两个工作段，一段用于安装小视场相机，另一段与光心调节板连接定位。

2.如权利要求1所述的机器视觉多视场协同机构，其特征在于：所述横梁[1]的左段设有大视场相机安装孔，用于将大视场相机垂直向下固定在横梁上，横梁[1]的右段开设有台阶孔和水平轴限位盖板[14]安装孔，用于安装水平转轴[2]形成可动连接，并限制其轴向位移。

3.如权利要求1所述的机器视觉多视场协同机构，其特征在于：所述水平转轴[2]的中段是一轴环结构，或者是一轴肩结构并在其轴颈上安装一滚动轴承，用于与横梁[1]右段的台阶孔配合形成可动连接，所述水平转轴[2]的前段设有台阶孔和垂直轴限位盖板[15]安装孔，台阶孔的中心线与水平转轴[2]的轴线垂直正交，该台阶孔用于安装垂直转轴[3]形成可动连接，并限制其轴向位移。

4.如权利要求1所述的机器视觉多视场协同机构，其特征在于：所述垂直转轴[3]的中段是一轴环结构，或者是一轴肩结构并在其轴颈上安装一滚动轴承，用于与水平转轴[2]前段的台阶孔配合形成可动连接，所述垂直转轴[3]的下段是一轴肩结构，轴肩轴头上安装光心调节板[4]。

5.如权利要求1所述的机器视觉多视场协同机构，其特征在于：所述光心调节板[4]的定位孔与垂直转轴[3]下段的轴头配合处采用过盈配合，装配后垂直转轴[3]下段的轴肩与光心调节板的上表面接触定位，光心调节板[4]调节小视场相机光轴的位置是通过改变其安装面与小视场相机底座[5]之间的相对位置来实现的，减小小视场相机底座[5]与定位孔之间的距离通过修磨安装面，增大小视场相机底座[5]与定位孔之间的距离通过在安装面与小视场相机底座[5]之间加入垫片。

6.一种装有如权利要求1所述的机器视觉多视场协同机构的测量与检测装置，其特征在于：还包括X轴[6]、Y1轴[7]、Y2轴[8]、Z轴[9]、大视场相机[10]及其镜头[11]、小视场相机[12]及其镜头[13]。

7.根据权利要求6所述的装有如权利要求1所述的机器视觉多视场协同机构的测量与检测装置，其特征在于：X轴[6]安装在Y1轴[7]的滑块[14]和Y2轴[8]的滑块[15]上，Y1轴[7]和Y2轴[8]的滑块同步位移，Z轴[9]的滑块[17]固定连接至X轴[6]的滑块[16]上，所述机器视觉多视场协同机构固定连接在Z轴[9]的下端。

8.根据权利要求6所述的装有如权利要求1所述的机器视觉多视场协同机构的测量与检测装置，其特征在于：Z轴能够上下升降，以调节物距，使得安装在机器视觉多视场协同机构上的大、小视场相机能够对被测目标进行清晰成像，X轴[6]、Y1轴[7]和Y2轴[8]可以单独位移，也可以联动位移，以使大、小视场相机能够对被测目标的不同局域进行成像。

9.根据权利要求6所述的装有如权利要求1所述的机器视觉多视场协同机构的测量与检测装置，其特征在于：利用大视场相机[10]采集的大视场图像进行测量路径规划。

10.根据权利要求6所述的装有如权利要求1所述的机器视觉多视场协同机构的测量与检测装置，其特征在于：小视场相机[12]可绕所述多视场协同机构的垂直转轴[3]转过任意角度，以采集不同像面角的小视场序列图像，小视场相机[12]可绕所述多视场协同机构的水平转轴[2]在小范围内转过一定角度，以采集被测目标侧面的图像进行观测。